فهرست مطالب
برای نخستین بار، پژوهشگران موفق شدند نور را به ابرجامدی با ساختاری بلوری در مقیاس کوانتومی تبدیل کنند و به این ترتیب، مادهای با ویژگیهای همزمان جامد و مایع ایجاد شد.
به گزارش تکناک، اما این دقیقاً به چه معناست و چرا گامی مهم در علم محسوب میشود؟
01
از 01ابرجامد چیست؟
ابرجامد حالتی نادر و عجیب از ماده است که در چارچوب مکانیک کوانتومی تعریف میشود. در این وضعیت، ذرات در ساختاری بلوری و منظم آرایش مییابند اما همچنان مانند یک مایع بدون گرانروی حرکت میکنند. برخلاف مواد جامد معمولی که شکل و ساختار ثابتی دارند، ابرجامدها تحت تأثیر تعاملات ذرات، چگالی و جهت حرکت خود را تغییر میدهند، در حالی که نظم شبکهای خود را حفظ میکنند.
چرا ابرجامدها باید بسیار سرد باشند؟
برای تشکیل ابرجامد، دمای ماده باید به حدی پایین باشد که به نزدیکی صفر مطلق (۴۵۹.۶۷- درجه فارنهایت یا ۲۷۳.۱۵- درجه سلسیوس) برسد. در این شرایط، بیشتر ذرات در کمترین سطح انرژی ممکن قرار میگیرند. در دماهای بالاتر، انرژی حرارتی باعث تلاطم و حرکت تصادفی ذرات میشود و نظم کوانتومی مورد نیاز برای تشکیل ابرجامد از بین میرود.
تصور کنید مجموعهای از توپهای کوچک در یک استخر قرار دارند. در دمای بالا، کودکان با جنبوجوش خود توپها را به هر سو پرتاب میکنند، اما اگر آنها از محیط خارج شوند، توپها در جای خود مستقر شده و رفتار آنها را میتوان دقیقتر مطالعه کرد. کاهش دما نیز در سطح کوانتومی اثری مشابه دارد و امکان بررسی رفتار ذرات را بدون اختلال ناشی از گرما فراهم میکند.
مایعی که گرانروی ندارد، چگونه حرکت میکند؟
گرانروی، معیاری از میزان مقاومت یک مایع در برابر تغییر شکل است. مایعاتی که گرانروی بالایی دارند، مانند شربت، کندتر حرکت میکنند، در حالی که موادی مانند آب، روانتر جریان مییابند. اما ابرشارهها و ابرجامدها استثنا هستند؛ آنها هیچ مقاومتی در برابر جریان ندارند و به همین دلیل، میتوانند به شیوهای نامعمول حرکت کنند.
یکی از شناختهشدهترین نمونههای این پدیده، ایزوتوپ هلیوم-۴ است که در دماهای نزدیک به صفر مطلق، خواص عجیبی از خود نشان میدهد. به دلیل اثرات کوانتومی، این ماده حتی در صفر مطلق نیز جنبشهای تصادفی دارد و بدون اعمال فشار بالا، بهراحتی به حالت جامد درنمیآید. همین ویژگی باعث میشود که در این دما، هلیوم-۴ بدون اصطکاک جریان یابد و حتی از دیوارههای ظرف خود بالا برود.
چگونه میتوان نور را به مادهای جامد تبدیل کرد؟
ابرجامدها پیشتر از گازهای اتمی ساخته شده بودند، اما پژوهشگران در این مطالعه از مکانیزمی جدید بهره بردند که بر پایه سیستمهای پولاریتونی استوار است.
پولاریتونها از ترکیب فوتونها (نور) و شبهذراتی مانند اکسیتونها از طریق برهمکنشهای الکترومغناطیسی قوی تشکیل میشوند. این ترکیب، امکان متراکم شدن سیستم به پایینترین سطح انرژی را مانند برخی گازهای اتمی فراهم میکند. به این ترتیب، نور و ماده با یکدیگر پیوند خورده و شرایطی برای تشکیل یک ابرجامد فراهم میشود.
ابرجامدها چه کاربردهایی دارند؟
اهمیت ابرجامدها در آن است که اثرات برهمکنشهای کوانتومی بین ذرات را بدون تأثیرپذیری از دما آشکار میکنند. مطالعه این پدیده به دانشمندان امکان میدهد نحوه آرایش اتمها و ذرات را در سطحی بنیادی بررسی کنند و به درک عمیقتری از ساختار جهان دست یابند.
پیشرفتهای آینده در این حوزه میتواند به توسعه فناوریهایی مانند رایانش کوانتومی، ابررساناهای پیشرفته و روانکنندههای بدون اصطکاک منجر شود. حتی ممکن است کاربردهای جدیدی کشف شوند که هنوز به ذهن کسی خطور نکردهاند. دستیابی به ابرجامد از نور، گامی بزرگ در این مسیر محسوب میشود و افقهای تازهای را در علم فیزیک ماده چگال میگشاید.
